（机械设计及理论专业论文）电解质清理机器人设计及动态性能研究.pdf

硕l 学位论文 摘要 电解质清理机器人是电解铝工业生产线中阳极组装车间的自动化设备，属于 特殊环境下特种机器人。其核心技术长期为国外垄断。本文根据机器人机构学原 理，提出了一种模拟人工清理的单炭块电解质清理机器人设计方案，并对在清理 作业的机器人进行了运动学分析和动力学分析，同时完成了相应的仿真试验。论 文主要内容有一下几个方面： ( 1 ) 阐述了电解质清理机器人的现状。 ( 2 ) 在论证同类机器人的构型基础上，对电解质清理机器人提出了一种新的 本体结构设计与工作步骤规划方案，并用p r oe 建立了机器人的三维实体模型。 ( 3 ) 对电解质清理机器人模型进行简化，应用d h 法对机器人进行了机构运 动学分析，得出工作末端与各关节变量运动方程，并基于s i m u l i n k 对该新型机器 人进行运动学仿真。仿真结果证明了该机器人设计与理论分析的正确性，为机器 人的步态轨迹控制提供了依据和算法支持。 ( 4 ) 根据电解质清理机器人在一次清理过程中的运动特点简化机器人模型， 对机器人进行多刚体动力学分析，并应用矢量力学方法和分析力学方法相结合， 在牛顿一欧拉法的基础上派生的一种方法，联立约束法来建立机器人的动力学模 型，并基于该动力学模型通过m a t l a b 的s i m u l i n k 模块进行仿真分析。 ( 5 ) 根据电解质清理机器人在二次清理过程中的运动特性简化机器人模型， 对机器人进行柔体动力学分析，并基于假设模态法、l a g r a n g e 方程和能量守恒， 推导了电解质清理机器人柔性手臂在第二步清理过程中的动力学模型，并通过 m a t l a b s i m u l i n k 仿真实验表明了柔性臂的弹性形变对本体的位姿和内力都有一 定的影响，同时使得系统的轨迹跟踪有一定的误差。 论文所完成的电解质清理机器人本体方案设计，以及对机器人进行的运动学 和动力学分析，为课题的进一步研究提供了理论基础，且文中采用的分析和仿真 模型对同类机器人的开发与研究也同样适用。 关键词：电解质清理机器人；运动学；刚体动力学；柔体动力学；s i m u i n k 仿 真 i v 硕十学位论文 曼鼍曼曼皇曼曼量曼量曼曼曼曼曼i i ii 曼曼曼曼曼曼量! ! 量曼曼! 曼曼曼曼曼璺甍皇曼皇皇曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼! 鲁曼曼舅曼曼皇曼曼舅舅 a b s t r a c t c l e a n i n gs p e n ta n o d e sm a c h a n i s mi st h ei m p o r t a n ta u t o m a t i o ne q u i p m e n ti nt h e a n o d er o d d i n gs h o po fa l u m i n u mi n d u s t r i a lp r o d u c t i o nl i n e t h ek e yt e c h n o l o g y b e l o n gt of i o 面盟t h i sp a p e rs t u d i e da n dd e s i g n e dar o b o to f an e wc l e a n i n gs p e n t a n o d e sm e c h a n i s mf o rs i n g l ea n o d e a l s o ，t h ek i n e m a t i c sa n dd y n a m i ca n a l y s i so nt h e c l e a n i n gw o r kr o b o tw e r ec a r r i e d ，a tt h es a m et i m e ，c o r r e s p o n d i n gs i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n tw e r ec o n d u c t e d t h em a i nc o n t e n to ft h i sp a p e rh a sf o l l o w i n gs e v e r a l a s p e c t s ： 1 t h ea c t u a l i t yo fc l e a n i n gs p e n ta n o d e sm a c h a n i s mw a se x p a t i a t e d 2 b a s e do ns i m i l a rr o b o tc o n f i g u r a t i o n ，t h em a i nb o d ys c h e m ed e s i g n sw e r e c o n d u c t e ds e p a r a t e l y a l s o ，t h e3 ds o l i dm o d e l so ft h er o b o tw e r es e tu pw i t ht h e s o f t w a r eo fp o r e 3 t h ek i n e m a t i c sa n a l y s i so ft h ec l e a n i n gs p e n ta n o d e sr o b o tm o d e l as i m p l e s i m u l a t i o nb a s e do nd hc o o r d i n a t i o ns y s t e ma n dm o d e l i n gi sp e r f o r m e db yt h et o o l s o fm a t l a bs o f t w a r eo ns i m u l i n k t h es i m u l a t i o na n a l y s i sw h i c hn o to n l yp r o v i d eb a s e o ft h ec o n t r 0 1a n da l s ob u i l dt h ef u n d a t i o nf o rf u t u r er e s e a r c h 4 t h er i g i db o d yd y n a m i ca n a l y s i so ft h ef r i s ts t e po fc l e a n i n gs p e n ta n o d e sr o b o t t h ee s t a b l i s h m e n to ft h ed y n a m i cm o d e lw a sb a s e do ns i m u l t a n e o u sc o n s t r a i n t m e t h o d t h e n ，t h em a t l a bs i m u l i n ks o f t w a r ew a su s e d t om a k es i m u l a t i o n c a l c u l a t i o no ft h ed y n a m i cm o d e l s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h em o d e li sr i g h t 5 t h ef l e x i b l eb o d yd y n a m i ca n a l y s i so ft h es e c d o n ts t e po fc l e a n i n gs p e n t a n o d e sr o b o t t h ed y n a m i cm o d e lo ft h es e c d o n ts t e po fc l e a n i n gs p e n ta n o d e sr o b o t w a sd e r i v e db ya s s u m e dm o d em e t h o d ，l a g r a n g e ，e n e r g yc o n s e r v a t i o nl a w e l a s t i c d e f o r m a t i o no fr o b o te f f e c t e do no n t o l o g yp o s ea n di n t e m af o r c eb ys i m u l a t i o n e x p e r i m e n tw i t hm a t l a b s i m u l i n k i nt h i sp a p e r , t h ec o m p l e t e dr o b o ts c h e m ed e s i g n ，a sw e l la st h ec l e a n i n gs p e n t a n o d e sr o b o t sk i n e m a t i c sa n dd y n a m i c sa n a l y s i sh a v em a d eap r e m i s ef o u n d a t i o nf o r f u t h e rr e s e a r c ho nt h es u b j e c t b e s i d e s ，s o m ea n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nm e t h o d si nt h e p a p e rw o u l ds u p p l ys o m ee x p e r i e n c e s t ot h es i m i l a rr o b o t sd e v e l o p m e n t k e yw o r d s ：c l e a n i n gs p e n ta n o d e sr o b o t ；k i n e m a t i c sa n a l y s i s ，r i g i db o d yd y n a m i c ， f l e x i b l eb o d yd y n a m i c ，s i m u l a t i o n ，m a t l a b s i m u l i n k v 硕f ：学位论文 插图索引 图1 1阳极组装生产工艺流程图1 图1 2 兰州铝厂引进b r o c h o t 公司的电解质清理机器人5 图1 3b r o c h o t 电解质清理机器人铲碎装置结构图5 图1 4 青海铝厂引进h y d r a = f a b 公司的单炭块电解质一次清理机 - - - - - - , - - 7 图1 5 h y d r a f a b 公司的单炭块电解质二次清理机7 图1 6 中国铝业公司设计的内部清理机机构简图8 图2 1 机器人基本构型1 4 图2 2 传动系统布置方案1 7 图2 3电解质清理机器人三维模型1 8 图2 4 电解质清理机器人基本尺寸平面图0 00 0o q 1 9 图2 5电解质清理机器人清理过程主视图2 0 图2 6电解质清理机器人清理过程俯视图2 1 图3 1 连杆坐标系及连杆参数2 8 图3 2 机器人运动学结构简化模型3 0 图3 3 正向运动学的s i m u l i n k 子系统3 3 图3 4 电解质清理机器人第一步清理铲刀末端仿真轨迹3 4 图3 5电解质清理机器人第二步清理铲刀末端仿真轨迹3 4 图4 1电解质清理机器人第一步清理过程示意图g o0d o o o o ooo o 3 7 图4 2 偏置式曲柄滑块机构简图3 7 图4 3 各杆受力分析图o o ooo oo i0060 ooo oo bo oq 3 9 图4 4 基于m a t l a b 函数的机器人第一步清理系统动力学仿真模块4 1 图4 5 基座所受作用力随时间变化的仿真曲线图4 2 图4 6 关节1 所受作用力随时间变化的仿真曲线图4 3 图4 7 关节2 所受作用力随时间变化的仿真曲线图4 3 图4 8 滑块所受支承力随时间变化的仿真曲线图4 4 图4 9 铲刀位移随时间变化仿真曲线图4 4 图4 1 0 铲刀速度随时间变化仿真曲线图4 4 图4 1 1铲刀加速度随时间变化仿真曲线图4 5 图5 1电解质清理机器人第二步清理过程结构简图4 9 图5 2 电解质清理机器人第二步清理动力学仿真系统5 4 图5 3 工作端( 铲刀) 的实际轨迹与期望轨迹5 5 v i 硕 = 学位论文 附表索引 表2 1 交流伺服电机及谐波减速器参数1 6 表2 2 机器人基本参数g l 1 08 q i i o 1 9 表o l 机器人杆件坐标参数3 l v i i 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：日期渺p 年6 月够e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中 国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 日期少埠6 月虹日 日期：纠算6 月c - 吣日 硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 电解质清理机器人概述 电解质清理机器人是电解铝工业生产线中阳极组装车间的自动化设 备之一。大型预焙电解铝生产常利用阳极炭块组供应电解生产，并对消耗 更换的阳极炭块组进行清理、压脱、破碎等处理，组装浇注形成新的阳极 炭块组返回电解，从而形成阳极组装生产工艺【1 1 ( 如图1 1 ) 。 图1 1 阳极组装生产工艺流程图 预焙电解槽更换后的阳极炭块组在铝电解生产上称之为“残极，残 极可分为硬残极与软残极。硬残极受电解质侵蚀较少，强度高，假比重 大，比电阻较小。软残极受电解质侵蚀较严重，各项性能次之【2 】。残极钢 爪以下由氧化铝烧结块、电解质及残余阳极炭块组成，这部分统称为残极 电解质。由于残极表面电解质中含有大量的微量元素，对炭阳极质量和 铝液质量危害很大，因此必须采用有效的方法将残极清理干净【3 】。由于硬 残极的强度、假比重较大，添加硬残极块作骨料时对阳极有好的影响， 而且其加入的量越大，阳极的强度、假比重也越大。添加软残极则对阳 极强度及假比重无明显的影响，但是容易被氧化性气体所侵蚀，造成极 炭块疏松。加入清洁后的硬残极对提高炭阳极质量有利【4 】。所以要将清理 下来的电解质进行回收。电解质的自动化清理般分两次清理，第一次 清理是将残极上附着的较硬电解质大块的震打下来，一般称为一级清理； 第二次清理是将阳极炭块表面附着的剩余的较软电解质再清理掉，一般 称为二级清理。在清理的过程中将电解质回收再利用。 早期的一次清理是以人工清理为主，工人用大锤敲碎电解质，或者 电解质清理机器人设计及动态性能研究 用风镐铁铲将附着在残极上的电解质铲碎f 5 1 。然而人工清理电解质劳动强 度极大，生产力低下，同时又造成车间的环境污染，危害职工健康。随 着电解铝工业技术的迅猛发展和生产规模的不断扩大，人工清理已经大 大地制约了生产的发展和规模的扩大，使用电解质清理机器人来代替人 工清理，安全、高效地处理阳极残极已经是一个发展趋势【6 】。于此同时， 残极处理生产线和设备也正逐步向全面机械化和自动化的方向发展。电 解质清理机器人设备的需求将越来越大，运用将越来越广泛。 电解质清理机器人在一次清理中的主要装置就是铲碎( 破碎) 清理 装置。它的作用就是代替人工，将残极上较硬的电解质大块的振打下来， 充当人工拿风镐或者大锤将电解质清理下来。同时，又要做到不破坏残 极本身，大块的电解质能顺利掉下被回收利用，清理速度能适应不同的 阳极组装车间的生产速度。 本文通过对兰州铝厂在电解质清理机器人使用并不理想的情况下， 受兰州铝厂委托，提出了一种新型的结构简单的电解质清理机器人来代 替人工清理。并对机器入进行了动态性能研究及仿真，验证了此机器人 的功能性是否能达到清理要求。从而对以后的结构优化以及电解质清理 机器人的国产化提供理论依据。 1 2 电解质清理机器人的国内外发展现状 就电解质清理机器人的发展，国内和国外还是有相当大的差距。 国外的电解质清理机器人是由专业的机械设备制造商生产的全自动 化或者半自动化的成套设备。他们以阳极组装车间为主，系统化的生产 整个阳极组装生产线的所有成套自动化设备，其中电解质清理机器人分 别有适用于单炭块( 4 爪单阳极) 组装阳极的单极电解质清理机器人和适 用于双炭块( 6 爪双阳极) 组装阳极的双极电解质清理机器人。 国内的电解质清理机器人中还只能做到半自动化，电解质一次清理 用人工，二次清理用自动化设备，这些半自动化设备的研发也仅限于中 国铝业公司等专门的跟铝工业有关的企业，而没有专业的机械设备企业 研发生产。当然也有一些铝工业企业自行研发的一级清理的电解质清理 设备，但是也只能适用于他们自己的阳极车间的生产线，不能广泛应用 在国内铝工业生产线。全自动化的电解质清理机器人主要还是进口国外 设备。 下面详细介绍一下国内外电解质清理机器人的发展状况： 1 2 1 国外发展现状： 硕i j 学位论文 自从h a l l h e r o n l t 炼铝法诞生以来，出于经济和效率上的考虑，人们 不断开发大电流的电解槽【7 】。而俗称“电解之心脏”的阳极在电解槽中布 置方式、数量也各有不同，如德国的v a w 公司开发的3 0 0 k a 电解槽阳极 是单炭块；南非的海利塞德铝厂a p 3 0 电解系列使用的阳极是带两块炭块 的组装阳极。所以在自动化电解质清理技术上也要有分别适合单炭块残 极清理( 4 爪单阳极) 和双炭块残极清理( 6 爪双阳极) 两种不同的电解 质清理机器人【8 】。 。 双极电解质清理机器人的工作原理：6 爪双阳极的组装阳极炭块是一 个钢爪上有两排，一排3 个爪脚，各带一个阳极炭块，也就是一个钢爪 上带两个阳极炭块，两个阳极炭块间的间隙为2 0 0 m m 左右。残极进入电 解质清理机器人系统后，首先进入电解质的一次清理，将附着在两个炭 块上表面的较硬电解质振打下来，由于硬电解质的硬度较高，需要大的 驱动和锋利又较硬的工具进行清理，而且要让破碎的电解质顺利掉入回 收装置中，保证不能影响到固定在导杆上的阳极；其次就是进入电解质 的二次清理，将阳极表面附着的软电解质和全部清理下来，软残疾的颗 粒较小，硬度也稍低，所以用较软而又韧性高的工具细致的来清理，但 要注意的是要把一个钢爪上的两炭块间隙的电解质清理下来。然后将清 理下来的电解质进行回收。 单极电解质清理机器人的工作原理：4 爪单阳极的阳极炭块是一个钢 爪上有4 个爪脚，只带一个阳极炭块。残极进入电解质清理机器人系统 后，首先进入电解质一次清理，用硬度高，驱动力大的工具将附着在一 个炭块上表面其的较硬电解质振打下来，而且要让破碎的电解质顺利掉 入回收装置中，其中保证不能影响到固定在导杆上的阳极；其次进入电 解质的二次清理，用软度高而又有韧性的工具细致的将阳极所有表明附 着的软电解质全部清理下来，然后将清理下来的电解质回收。 目前国外电解质清理机器人主要由奥托昆普技术公司( o u t o k u m p u t e c h n o l o g y ) 1 9 和法国b r o c h o t 公司两大公司研发并提供给全球各地电 解铝生产企业【1 0 1 。它们的机器人现在主要针对双阳极的电解质清理，各 有特点，但也存在着一些问题，尤其在我国的引进使用状况并不理想。 加拿大a i s c o 公司生产的清理机和t e c h m o 公司生产的清理站【1 1 】以及娜 威海德罗铭业公司【1 2 】主要是针对单阳极的电解质清理，我国也有进口它 们公司的电解质清理设备，效果比较理想。下面就这几个公司的机器人 的技术特点进行详细的说明。 1 奥托昆普技术公司( o u t o k u m p ut e c h n o l o g y ) 研发的阳极组装全自 动化设备包括电解质清理机器人等，已经在世界各地的大型铝厂投入使 3 电解质清理机器人设计及动态性能研究 用。例如，印度科尔巴( k o r b a ) s t e r l i t e 集团，南非b i l l i t o nh i l l s i d e 电 解铝厂，c o m a l c ob o y n ei s l a n d 电解铝厂，a l c a na l m a 的p e c h i n e y a p 3 0 组装车间以及中国铝业公司青海分公司等都引进了他们公司的阳极组装 全自动化设备【”】。 此机器人的信息由是o u t o k u m p u 技术公司供应给南非b i l l i t o n h i l l s i d e 电解铝厂提供的，它是针对双炭块组装阳极的( 六爪双阳极) ， 机器的循环速率是4 0 块阳极d , 时，由三个预破碎站组成的【9 】： 残阳极在进入预破碎站之前，由空中吊运车系统运送到某一停靠站 点。一个残阳极组被送入电解质清理站。夹紧导杆防止其晃动。在进行 预破碎碎操作的过程中，固定阳极组。液压锤将坚硬的电解质破碎为较 小的粉块，并沿着阳极的长度方向进行锤击破碎。开启导杆夹具，阳极 组随后被倒旋转9 0 度角。阳极组被送入第2 个预破碎站，重复上述的清 理流程。极组被送入倾斜清理站。夹紧导杆防止其晃动。在进行预破碎 操作的过程中，固定阳极组。液压锤将坚硬的电解质破碎为较小的粉块， 并沿着阳极的宽度方向进行锤击破碎。开启导杆夹具。摆动的残极支托 被提升，以支撑残极的侧部。一套导杆夹具将导杆夹住。倾斜站将阳极 从正常的悬垂方位( 垂直方向) 进行9 0 度角的旋转，使其回复到水平位 置。压撞击机用来清除残极表面( 垂直面) ，继而将钢爪之间区域的电解 质予以清除。两个水平锤被分别安装在残极组的两侧，并从阳极末端进 行清除作业，继而将钢爪之间区域的电解质予以清除。阳极被恢复到正 常的悬垂方位，随后被送入第3 次清理及清扫站。鼓风清扫系统用于吹 扫残阳极顶部的残余电解质。 对于奥托昆普技术公司研发的这款电解质清理机器人存在以下优缺 点： 优点：清理率达到9 5 以上，清理循环速率高，电解质回收方便。 缺点：结构复杂，对阳极和导杆的质量要求比较高，价格很高。 2 法国b r o c h o t 公司研发的阳极组装车间生产线成套设备也是世 界各地铝业公司的自动化设备供应商。他的销售业绩包括了世界各地共 5 0 多家电解铝企业b 0 。例如：哈萨克斯坦的n f c p a v l o d a ra l s m 中 色哈萨克斯坦巴甫洛达铝厂，阿联酋的d u b a l 迪拜铝业公司，印度 b a l c o 巴拉特铝厂，加拿大a l c a n 阿尔玛铝厂以及中国兰州铝厂2 期 刍墓 1 4 1 口o 4 田12 兰州铝厂引进b r o c h o t 公司的电解质清理机器人 由兰州铝厂2 期引进的b r o c h o t 公司的电解质机器人( 如图12 所示) 。此套设备由全自动电解质破碎清理设备，电解质回收设备以及自 动残极抛丸清理机组成。它的破碎清理设备的铲碎装置如图1 3 所示。 它是针对双炭块组装阳极的( 六爪双阳极) 。 圈13b r o o h o t 电解质清理机器 铲碎装置结构图 残极从装卸站随天车进入电解质破碎清理设备中，夹具装置夹紧导 杆防止晃动，夹紧装置向x 方向移动到左右装有铲刀的铲碎装置中间， 铲碎装置向中间移动铲裂残极两侧坚硬的电解质，使其与残极分离。然 后夹紧装置从x 轴方向向y 轴方向旋转4 5 度角，由4 5 度方向角的带有 铲刀的铲碎装置由液压驱动向残极移动铲碎清除残极表面附着的电解 质，顺便使已经破碎的电解质顺利的掉入电解质回收设备的运输皮带上。 一级清理结束后夹紧装置将残极送回天车，由天车带残极进入自动残极 抛丸清理机组进行二级清理，将附着在残极上未清理掉的残极，软电解 电解质清理机器人设计及动态性能研究 质清理干净。 对于法国博寿公司研发的这款电解质清理机器人存在以下优缺点： 优点：结构相对简单，清理循环速率高，较进口的双阳极清理设备 价格相对较低。 缺点：铲碎程度不高，对导杆阳极的质量要求较高导致残极块容易 被一起振下，结构设计上导致铲碎的电解质块不能顺利掉下。 3 加拿大a i s c o 公司生产的清理机和t e c h m o 公司生产的清理站 【l l l 。a i s c o 公司生产的清理机包括两个部分，一次清理和二次清理，一次 清理是通过液压锤的交叉运动，松动、清理大部分的电解质，二次清理是 通过链条的纵向运动清理其余电解质，该设备已在中铝青海分公司8 5 k t 项目组装部分使用。t e c h m o 公司生产的清理站由破碎和清理两级组成， 破碎和清理均采用类似锤滑动的机构进行。工作步骤为：清理站从悬链系 统接收残极并处理这些残极上的电解质，首先一次清理清走碳素表面凝 固的9 5 以上的电解质然后将清理掉的电解质导入设备下面的皮带运输 机输送到破碎系统去。最后将残极送往二次清理站进行抛丸清理。他们 主要针对的也是单极炭块的阳极( 4 爪单阳极) 。机器的循环速率为15 组d , 时【1 5 】。 以上两款电解质清理机器人的优缺点如下： 优点：技术纯熟，清理率在9 5 以上，对导杆和阳极质量的要求较 低。 缺点：运行速度较低，运行费高，价格也相对较高。 4 娜威海德罗铝业公司( h y d r oa l u m i n u m ) l9 9 5 年研制成的阳极单 残头清理( a n o d eb u t t sc l e a n i n gs y s t e m ) 【1 2 】。这套系统已在娜威海德罗铭 业公司的各铝厂投入使用。现在青海铝厂引进了此设备，并且使用比较 理想。这套电解质清理机器人的清理步骤分为三步：首先由二个气动锤 将双头螺将两侧的电解质锤松，这为粗清理，执行此操作的机器人如图 1 4 所示；而后进行二次精清理，第一次是用5 个旋转工具打掉残极上各 个部分的电解质，执行此操作的机器人如图1 5 所示；第二次是喷钢砂 处理，彻底清除残极上的残留电解质。喷砂处理强度可通过钢砂喷出量 调节。这套电解质清理机器人是针对单极炭块阳极( 4 爪单阳极) 。机器 的循环速率为3 0 块4 , 时1 1 6 】。 6 圈14 青海铝厂引进h y d f a b 公司的单炭块电解质一欢清理机 圈15h y d f a b 公司的单炭块电解质二次清理机 这款电解质清理机器人的优缺点如下： 优点：全封闭的装置通风装置和过滤器降低了环境污染，高度自动 化减少了工人和劳动量，行速度较高。 缺点：返回系统结构复杂，敲障率高，维修量大，价格相对较高 122 国内发展现状： 国内电解质清理的状况大致可分为三类：纯人工清理，人工+ 设备半 自动化清理及引进国外全自动设备清理。 1 纯人工清理： 优点：价格便宜，对于小型的铝厂使用较理想。 缺点：人工清理不仅存在安全隐患，而且清理过程中造成电解厂房工 作环境粉尘量的超标危害职工健康：从破碎后电解质的使用情况来看， 由于主要用于更换阳极后阳极的覆盖和保温，人工清理的电解质颗粒过 大，不利于保温，阳极氧化严重，增加阳极的消耗量，不利于电解的生产 电解质清理机器人设计及动态性能研究 【1 7 1 0 在云南铝厂设计中，电解质处理仅为简单的人工风镐清理线，经电 解车间初次清理的残极运来后由人工二次清理。按目前各厂对残极的要 求，这种方式完全能满足电解质清理的要求【1 8 】。同时电解质清理装置的 投资大为减少，当然工人的劳动强度与工作环境均不如自动电解质清理 系统。 2 人工+ 设备半自动化清理： 优点：部分减少了工人的劳动量，对于清理环境也有所改善，其中 自动化部分的设备由国内自行研制，价格也相对较低。 缺点：不能做到全自动化，只有残极的二次清理能做到自动化，而 残极的一次清理还是由人工清理为主，清理速度不能跟上现有的生产状 况和速度。 中国铝业股份有限公司在2 0 0 6 年研发的“电解残极表面的电解质清 理系统”【1 9 】。残极在进入清理系统之前拿大锤将较硬的电解质砸碎脱落 人后再进入这个电解质清理系统。此系统的组成为( 如图1 6 ) ：在密封 室内有上部清理机、下部清理机、下料口皮带运输机和收尘点，一次清 理点与密封室连接，二次清理点在一次清理点之后；上部清理机安装在 残极的上面，下部清理机安装在残极的下面；下料口皮带运输机位于下 部清理机之下。其中，上、下部清理机采用变频器控制，上部清理机的 电机与清理滚筒一侧连接，清理滚筒的另一侧与支撑轴承连接；下部清 理机的电机通过皮带传动与清理滚筒一侧连接，清理滚筒两侧与支撑轴 承连接；清理钢丝绳穿过滚筒通孔、并通过螺纹孔将压板固定在清理滚 筒上。此款发明也是针对单极炭块阳极( 4 爪单阳极) 。 12 图1 6 中国铝业公司设计的内部清理机结构简图 3 进口国外全自动化设备： 硕士学位论文 优点：自动化程度高，生产环境得到较大改善，更加适应现在的生 产规模与速度。 缺点：投入资金高，对导杆和阳极的质量要求较高，不能广泛在全 国范围的铝厂运用。 河南伊川铝厂阳极组装车间的电解质清理设备是加拿大进口，此款 设备是也是由奥托昆普技术公司( o u t o k u m p ut e c h n o l o g y ) 研制的 2 0 1 。它 的工作原步骤如下：返回来的残极由装卸站上线，先经电解质清理机清 理残极上的大块电解质。电解质清理机由二个预碎站、一个倾翻站，三 个工作站自动清理六爪碳块阳极，前两个工作站通过液压气锤( 冲击锤) ， 使电解质被破碎从阳极块上去掉；最后一个工作站是通过一系列的推进 顶杆，将钢爪问的电解质清理干净，并经过气吹系统清理，再经过残极 抛丸机清理附在残极表面或渗透在软残极内的电解质，以及残极底部电 解质。这套电解质清理机器人是以2 0 万吨电解铝产能为背景的，针对单 极炭块阳极( 4 爪单阳极) 。机器的循环速率为3 0 组小时。 1 3 电解质清理机器人现存在的问题 电解质清理机器人从国外的发展到国内的发展还存在很多的问题。 国外的机器性能好，基本做到了全自动化，代替了人工清理，而且分别 有针对4 爪单阳极的和6 爪双阳极的，适应了不同是阳极组装生产线， 在国外的应用也非常广泛，使用情况也比较理想。但引进国外的针对6 爪双阳极的电解质清理机在国内的使用并不是很理想。由于国内阳极质 量达不到其标准，在清理过程中经常出现残极砸落现象，清理效率受到 影响。其钢球与电解质的分离，返回系统结构复杂，导杆的质量也达不 到这种机器的要求，导致导杆变形等，这样使得机器故障率高，维修量 大，运行费也高。而且相对复杂的结构导致所需的费也相当高 2 1 - 2 6 。从上 述方面可以看出进口的双极电解质清理机器人并不适应国内目前的阳极 组装生产线。对于国外进口的针对4 爪单阳极的电解质清理机器人，在 国内的使用情况是比较理想的，因为其清理难度相对双极阳极来说较低， 所以对于阳极质量的标准要求也较低，再者其结构也相对简单，对于导 杆以及其它阳极组装生产线的硬件设备的影响也要低一些。但唯一的缺 点是国外进口的电解质清理机器人设备资金一次性投入还是太大。现在 国内自主研发整套电解质清理机的设备还没有，而国内能自主研发的机 器一般都是电解质清理机器人的一部分，而这一部分都集中在电解质的 二次清理自动化设备，电解质的一次清理很多还是靠人工清理为主，部 分铝厂也有研发一次清理的自动化设备的，但只适用于他们的阳极组装 9 电解质清理机器人设计及动态性能研究 生产线，并未投放市场，也没有相关资料记载。 1 4 电解质清理机器人的发展趋势 以电解质清理机器人等为代表的机器人技术已经成为相关重大基础 装备在国产化道路中进一步发展的技术瓶颈。机器人技术是综合了计算 机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而 形成的高新技术。它属于多学科、多技术综合运用的先进制造装备的典 型代表，其技术属于核心竞争技术，对它的研究有利于掌握未来新的战 略性高技术，有利于形成未来新的经济增长点，对研究和发展国家需要 的战略性前沿核心技术与装备具有重大的意义，新型机器人应用技术的 重点则主要有具有更加自适应性和复杂工艺能力的各种机器人控制技 术、视觉图象处理技术、机器人动作规划和轨迹补偿技术、远程监控和 具有工艺水平的离线编程技术等，新型机器人发展趋势是智能化、低成 本、高可靠性和易于集成。而随着机器人技术的不断成熟电解质清理机 器人将向着提高清理率、提高清理速度、降低噪音、提高资源利用率、 降低消耗、削减污染、提高产品质量和国产化的方向发展 2 7 - 2 9 。 就电解质清理机器人而言它的发展趋势如下： 1 国外电解质清理机器人的发展水平已经成熟，但是在满足清理要 求下结构简单，成本的降低，性能的优化，以及随着电解铝产量 的逐步提高，而跟上电解铝生产的速度是其发展的趋势。 2 国内要赶上国外的现有水平，就得自主研发成套的电解质清理设 备，逐步做到全自动化，用自动化设备代替人工操作。即电解质 清理机器人的逐步国产化。 3 但从目前国内阳极组装生产线的情况看，双极电解质清理机器人 显然还并不能完全适用国内阳极清理，当然随着国内电解铝整个 生产线技术的提高，阳极的质量的提高，双阳极的清理将会广泛 应用，但目前的情况来看，单极电解质清理机器人还是更适合国 内的阳极组装生产线。所以国产化的目标应该从单极电解质的清 理机器人入手，逐步向双极电解质清理机器人过渡。 4 而从国内国产化电解质清理机器人的现状来看，残极的二次清理 已有部分铝厂研发了一些专利产品。而对于残极的一次清理：铲 ( 破) 碎装置的研发还没有任何资料记载，更没有投放市场的机 器出现，所以残极的一次清理装置的自主研发也是目前主要关注 的部分。 5 就是对于现在过于复杂的电解质清理机器人，怎样可以做到结构 1 0 坝t = 掌位论文 简单化来降低成本也是要考虑的发展方向。 6 工作环境也要向着轻污染，无污染的方向发展。 1 5 本文研究的内容 电解质清理机器人是电解铝工业生产线中阳极组装车间的自动化设 备，属特殊环境下特种机器人。其核心技术长期为国外垄断。国外电解 质清理机器人可靠性、自动化与智能化程度高，但结构复杂、价格昂贵； 国内的电解质清理主要以人工清理和引进国外全自动设备为主。尤其是 电解质一次清理机器人国内基本完全依靠进口。我国对这方面的研究非 常少，因此本文对电解质一级清理机器人提出了新的设计的思路，并通 过对该机器人的动态性能分析与仿真，证明这种设计思路的可行性，具 体内容如下： 1 对课题的来源以国内电解质清理机器人的发展以及研究现状进行 了解。 2 针对单炭块电解质的清理需求和技术发展现状，设计一种结构简 单的电解质一次清理机器人。目标以节约成本，简化结构，并且能完成 清理效果跟上国内铝电解生产线的速率。机器人的整体结构的设计，清 理工作步骤的规划，以及清理效率的计算分析。 3 对电解质清理机器人进行的运动学分析与仿真，建立机器人的基 坐标和运动坐标系统以及运动学模型，通过正运动学和逆运动学求解， 得到了各关节变量与工作末端运动方程，并基于s i m u l i n k 对该新型机器 人进行运动学仿真，得到机器人末端的仿真轨迹。结果证明了该机器人 设计与理论分析的正确性，为机器人的步态轨迹控制提供了依据和算法 支持，以及为后续机器人动力学分析提供理论依据，也为电解质清理机 器人国产化提供技术参考。 4 建立电解质清理机器人系统的动力学方程，对机器人在进行清理状 态下，各部件的速度，加速度，受力情况进行动力学分析，其中主要分 第一步清理，第二步清理两种状况，由于运动形式和受力状况都不一样， 所以分别用多刚体动力学和柔性动力学两种方法对两种清理步骤进行了 动力学研究。并通过m a t l a b s i m u l i n k 对机构进行动力学仿真分析，得到 两种状态下，各部件的作用力仿真曲线，可以方便地测得所需的动力学 参数，从而找到各部件的薄弱环节，进行结构优化，评估此新型机器人 在清理过程中的操作能力是否能达到清理工作要求。 电解质清理机器人设计及动态件能研究 第2 章电解质清理机器人本体方案设计 2 1 概述 此新型电解质清理机器人主要为关节式与坐标式相结合串联式机器 人，它的优点是易于实现高定位精度，空间轨迹易于求解，控制无耦合， 且结构简单，避障性好，在工作空间下其机体所占空间体积较小，灵活 性好 3 0 l 。一般情况下，串联式机器人是有机构本体、驱动系统、控制系 统、传感系统、及通讯接1 3 组成的【3 l 】。在这里我们主要是以机构本体设 计为主。此机器人的主要工作是充当人工拿风镐或者大锤将电解质清理 下来，所以是一种具有和人手臂相似的功能，可在空间抓住执行器进行 操作的机械装置，通常包括底座、大臂、前臂、手腕和手部( 末端执行 器) 。 ( 1 ) 底座，是工业机器人的基本部件，并承受相应的载荷，并起到 移动作用。 ( 2 ) 上臂、前臂，相当于人的上臂和前臂，由动力关节和连杆组成， 其作用是用来支撑手腕和手部，并带动它们一起在空间运动，从而改变 手部的空间位置。 ( 3 ) 手腕，相当于人的手腕，是连接臂部和末端执行器的部件，其 作用是调整和改变手部在空间的方位，从而使手抓所我的物体或对象获 得指定的姿态。 ( 4 ) 手部，相当于人的手，是机器人直接执行工作的装置，可安装 夹持器、工具等。 串联机器人的开链结构比起一般机构来说，虽在灵活性和空间可达性 方面要好的多，但是由于开链结构相当于一系列悬臂杆串联在一起，机 械误差和弹性形变的累积，使机器人的刚度和精度大受影响。所以，串 联机器人在机械设计时既要考虑强度问题，还要考虑刚度和精度问题。 串联机器人的机械设计具有机电一体化的特点。一般机械是通过减少 驱动功率来对控制运动部件的惯量的，而机器人通缩短机电时间常数、 提高机器人的快速响应能力来控制惯量的。还有，一般的机械设计控制 机械谐振频率是为了保护不破坏，而机器人是从运动的稳定性、快速性 等伺服角度来控制机械谐振频率。 此外，与一般的机械设计相比，机器人的机械设计在结构的紧凑性、 灵巧性等方面，有更高要求。 1 2 坝t 学位论文 本文针对单炭块电解质的清理需求和技术发展现状，确定电解质清 理机器人的工作原理和参数设计，在综合考虑以上各因素的情况下，针 对电解质清理机器人在清理作业进行机器人的本体方案的设计，主要包 括运动功能设计、传动系统设计及机械结构设计。 2 2 设计要求 电解质清理机器人的设计灵感来源与人工清理，所以电解质清理机 器人的研究就是对人工清理过程的研究，而人工在清理过程中就是手握 铁铲进行铲碎清理，所以根据人工手臂的工作特点以及残极的工作环境 因素，提出了机器人手臂为关节型，模拟人的手臂；底座为轴向平移的 结构，模拟人的双腿移动，由于残极由天车直线传送过来，为简化结构， 底座只做与残极移动方向一致的水平移动。而且关节型机器人具有占地 面积小，动作范围大，空间速度快等优点，也是工业机器人最容易选的 机器人结构。在考察国内外同类机器人的基础上【3 2 1 ，确定出机器人的基 本参数如下： 手部最大线速度：8 0 0 m m s 底座最大线速度：5 0 0 m m s 底座移动范围：3 6 0 0 m m 轨迹重复精度：5 m m 最大载荷：3 0 0 k g 机器人自由度：5 - 6 个 2 3 运动功能方案设计 机器人运动功能方案设计主要是确定机器人的自由度数、基本构型 及运动性能参数。 2 3 1 确定自由度 自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目，不包括手部( 末 端执行器) 的开合自由度。在三维空间中描述一个物体的位置和姿态( 简 称位姿) 需要六个自由度，显然，机器人要完成任一作业任务，也需要六 个自由度。但是机器人的自由度是根据用途而设计的，可能少于六个自 由度，也可能多于六个自由度3 3 1 。对于电解质清理机器人，因其末端执 行器具有对称性，故末端执行器的姿态只有两个独立参数，一般情况下， 此类作业机器人需要五个自由度就能够唯一确定出末端执行器的位姿； 而六自由度的机器人在其工作范围内，可使其工具或手爪运动到任意位 1 3 电解质清理机器人设计及动态性能研究 姿：多于六个自由度的机器人具有冗余度，对于避免碰撞和改善动力学 性能非常有利，具有更大的灵活性。本文所设计的作业机器人是一种用 于手部末端安装铲刀进行拟人铲碎作业的机器人，为了使末端铲刀可以 横向运动，纵向运动接触到残极的各个表面，这里确定机器人的自由度 为五个。 2 3 2 机器人基本构型设计 机器人的运动是由手臂和手腕的运动组合而成的【3 4 1 。通常手臂部分 有三个关节，用以改变手腕参考点的位置，称为定位机构；手腕部分也 有两个关节，用以改变末端件的姿态，称为定向机构，整个机器人是由 定位机构连接定向机构。最后确定机器人基本构型如